（機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)論文）視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)在焊接機(jī)器人中的應(yīng)用研究.pdf

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁(yè) 摘要 焊接是制造業(yè)的基礎(chǔ)，在制造業(yè)中有二分之一以上的產(chǎn)品的連接是通過(guò)焊接來(lái)實(shí)現(xiàn) 的。未來(lái)焊接發(fā)展的趨勢(shì)是焊接自動(dòng)化、機(jī)器人化及智能化，而傳感技術(shù)是這一發(fā)展中 最重要的部分。焊接傳感器按其使用目的可分為測(cè)量和檢測(cè)操作環(huán)境、檢測(cè)和監(jiān)控焊接 過(guò)程兩大類。在傳感原理方面，主要分為聲學(xué)、力學(xué)、電弧、光學(xué)傳感等。本文設(shè)計(jì)了 用于焊縫跟蹤的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)，利用c c d 視覺(jué)傳感器采集出的圖像，研究出了一套 完整的圖像處理算法，包括圖像濾波、圖像分割、邊緣檢測(cè)、直線擬合，最終有效的提 取出焊縫的中心線位置信息，同時(shí)也滿足實(shí)時(shí)性的要求。 由于焊接過(guò)程是一個(gè)多參數(shù)相互耦合的時(shí)變非線性系統(tǒng)，有許多因素影響焊縫成 形的質(zhì)量，由于其顯著的隨機(jī)性，用數(shù)學(xué)模型來(lái)精確的描述它非常困難，所以以前的一 些線性控制方法，在不同程度上存在對(duì)經(jīng)驗(yàn)依賴性大、適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。因此，在焊接 過(guò)程控制中引入智能控制方法是非常有效的途徑。本文分析了基于圖像的機(jī)器人視覺(jué)伺 服的基本原理，使用b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)確定達(dá)到指定位姿所需要的關(guān)節(jié)角度，將視覺(jué)信息直 接融入伺服過(guò)程達(dá)到準(zhǔn)確跟蹤焊縫的目的，在保證伺服精度的情況下大大簡(jiǎn)化了控制算 法，并且消除了系統(tǒng)標(biāo)定誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響，另外，本文利用m a t l a b 建立了神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)控制器，結(jié)果證明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器可以替代基于圖像雅克比矩陣的控制器完成伺服控 制。 關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；圖像處理；b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；視覺(jué)伺服 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 i 頁(yè) 皇皇曼鼉皇蔓皇曼獸毫曼! 曼曼鼉皇曼鼉皇曼皇曼曼曼曼皇皇! ! 皇曼曼! 曼曼! 皇曼曼曼! ! ! 皇舅曼! 曼曼i = i 皇曼篁曼曼鼉皇曼詈曼曼曼曼鼉曼寰 a b s t r a c t w e l d i n gi s t h eb a s eo fm a n u f a c t u r ea n dm o r et h a nh a l fp r o d u c t so ft h ej o i n t i n gi s a c h i e v e db yw e l d i n gi nt h em a n u f a c t u r e i nt h ef u t u r e ，t h et r e n do ft h ew e l d i n gd e v e l o p i n gw i l l b ew e l d i n ga u t o m a t i o n ，r o b o t i z a t i o na n di n t e l l i g e n t i z e ，a n ds e n s o rt e c h n o l o g yi st h em o s t i m p o r t a n tp a r to ft h ed e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt oi n t e n d e du s e ，t h ew e l d i n gs e n s o r c a r lb e c l a s s i f ya sd e t e c t i n gt h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n ta n dm o n i t o r i n gw e l d i n gp r o c e s s a c c o r d i n g t o f u n d a m e n t a l so fs e n s o r , i tc a nb ed i v i d e di n t oa c o u s t i c s ，m e c h a n i c s ，e l e c t r i ca r ca n d o p t i c a l s e n s i n g i nt h i sp a p e r , u s i n gac c di m a g es e n s o rv i s i o n ，h a sd e v e l o p e dac o m p l e t es e to f i m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，i n c l u d i n gi m a g ef i l t e r i n g ，i m a g es e g m e n t a t i o n , e d g ed e t e c t i o n , f i t t i n gas t r a i g h tl i n e ，a n du l t i m a t e l ye f f e c t i v et oe x t r a c ti n f o r m a t i o na b o u tt h ew e l dc e n t e r l i n e ， w h i l ea l s om e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l t i m e t h ew e l d i n gp r o c e s si sam u l t i p a r a m e t e r t i m e v a r y i n gc o u p l e dn o n l i n e a rs y s t e m t h e r ea r em a n yf a c t o r sa f f e c t i n gt h eq u a l i t yo f t h e w e l d ，b e c a u s eo fi t ss i g n i f i c a n tr a n d o m n e s s ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt ou sam a t h e m a t i c a lm o d e lt o a c c u r a t e l yd e s c r i b e b e c a u s et h ew e l d i n gp r o c e s si sam u l t i p a r a m e t e ri n t e r c o u p l i n gn o n l i n e a rs y s t e m ，t h e r e a r em a n yf a c t o r sa f f e c tt h eq u a l i t yo fw e l dj o 毗t h e r e f o r e ，i ti sd i f f i c u l tt od e s c r i b eu s i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l t h ep r e v i o u ss o m eo fl i n e a rc o n t r o lm e t h o dh a v eal o to fd e f e c t sa b o u t v a r y i n gd e g r e e sd e p e n d e n to nt h ee x p e r i e n c ea n dp o o ra d a p t a b i l i t y i t s av e r ys u i t e dw a yt o b r i n gi nb r a i n p o w e rc o n t r o l l i n gm e a n s i nw e l d i n gp r o c e s s t h i sa r t i c l ea n a l y s et h ef u n d a m e n t a l o fr o b o tv i s u a ls e r v ob a s e do ni m a g e u s i n gn e u r a ln e t w o r kt oe n s u r et h ed e m a n d e da n g l eo f j o i n ti no r d e rt og e tt h ea p p o i n tp o s i t i o n , p u tt h ev i s i o ni n f o r m a t i o ni n t ot h es e r v op r o c e s s d i r e c t l yt og e tt h eg o a lo ff o l l o w i n gt h ew e l d i n g l i n ea c c u r a t e l y , t h i sg r e a t l ys i m p l i f yt h ec o n t r o l a l g o r i t h mu n d e rt h ec o n d i t i o no fs e r v op r e c i s i o n ，a n d e l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo fs y s t e m s c a l i b r a t e de r r o rt om o t i o np r e c i s i o n ，b e s i d e st h i sa r t i c l ep r o c e e ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n tu s i n g m a t l a b a n dt h er e s u l ts h o w si t se f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ：i m a g ep r o c e s s i n g ；b pn e u r a ln e t w o r k ： v i s i o ns e r v o 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁(yè) 1 1 引言 第一章緒論 焊接是金屬加工和制造業(yè)的重要工藝，它連接材料穩(wěn)定、精度高、成本比較低并且 技術(shù)手段先進(jìn)。但是焊接現(xiàn)在要想滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造的需要，還有許多值得提高的 地方，例如生產(chǎn)效率的提高，工人工作環(huán)境的改善，焊接質(zhì)量的提高等，這些都就需要 在焊接上應(yīng)用自動(dòng)化和智能化技術(shù)陰。機(jī)器人焊接技術(shù)由于具有焊接的質(zhì)量好、高的工 作效率、可以進(jìn)行重復(fù)性的連續(xù)工作、能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類機(jī) 械制造業(yè)，以及石油化工業(yè)和電子行業(yè)等，在革新制造技術(shù)、減少工人工作量、改善焊 工工作環(huán)境、提高焊接的質(zhì)量等方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性【2 0 】，是焊接工藝發(fā)展的里程 碑。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在有一百多萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在全球得到應(yīng)用，其中有高達(dá)百分之四十五 的比例是焊接機(jī)器人。按照其發(fā)展過(guò)程焊接機(jī)器人大致可分為以下3 代【9 】： 第一代焊接機(jī)器人是基于示教再現(xiàn)工作方式的，由于其對(duì)環(huán)境模型的建立不要求、 機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的誤差可以在示教時(shí)抵消掉、簡(jiǎn)便的操作等特點(diǎn)，其大量應(yīng)用在焊接生產(chǎn) 第二代焊接機(jī)器人是利用傳感技術(shù)進(jìn)行離線編程，這類機(jī)器人的發(fā)展依靠的是離線 的編程科技和焊接傳感技術(shù)的不斷發(fā)展； 第三代是智能焊接機(jī)器人，它裝有多種傳感器，接收作業(yè)指令后可以根據(jù)客觀環(huán)境 自行編程，但這一代正處于試驗(yàn)研究階段。 現(xiàn)在在生產(chǎn)中應(yīng)用做多的是第一代焊接機(jī)器人，雖然它能完成一些簡(jiǎn)單的焊接任務(wù)， 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 頁(yè) _ill_mm i i m_ml_m l m 但它應(yīng)對(duì)變化的能力差，完成任務(wù)單一，焊接前需要應(yīng)用示教盒對(duì)焊接路徑點(diǎn)一一進(jìn)行 定位和記錄，也就是說(shuō)它的焊接路徑和位姿都是在焊接之前確定好的，這樣當(dāng)工件安裝 誤差、焊接變形等因素存在時(shí)，焊接機(jī)器人就很難正確的跟蹤焊接路徑，影響焊接質(zhì)量。 并且當(dāng)工件的形狀結(jié)構(gòu)很復(fù)雜時(shí)編程就變得相當(dāng)困難，難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的焊接質(zhì)量和精度。 所以說(shuō)把機(jī)器視覺(jué)引入焊接機(jī)器人，使之能將焊接環(huán)境的變化實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，從 而精確的跟蹤焊縫具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本論文的主要工作是根據(jù)被動(dòng)傳感技術(shù)獲得的實(shí)時(shí)焊縫圖像，經(jīng)過(guò)一系列的圖像處 理技術(shù)，獲得實(shí)時(shí)的焊縫信息，從而指導(dǎo)焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接作業(yè)。本文工作有助于提 高焊接機(jī)器人的自動(dòng)化和智能化水平，從而使焊接機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中有更高的焊接質(zhì) 量和焊接精度，以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)制造的要求。 1 2 視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)概述 伴隨科技進(jìn)步和生產(chǎn)發(fā)展需要，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)該具有更高的智能化水平，這就需要 對(duì)環(huán)境有更強(qiáng)的感知能力。人類通過(guò)眼睛獲得了環(huán)境中8 0 以上的信息，所以視覺(jué)中包 含了很多的環(huán)境信息，所以視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)的研究就應(yīng)運(yùn)而生，這得益于計(jì)算機(jī)技術(shù) 的飛速發(fā)展，因?yàn)檫@使以較快的速度從圖像中提取目標(biāo)信息變?yōu)榭赡堋Ｒ曈X(jué)伺服控制提 高了機(jī)器人的控制精度及靈活應(yīng)變能力，對(duì)由于標(biāo)定引起的機(jī)器人誤差具有強(qiáng)的魯棒 由視覺(jué)傳感向控制器提供外部環(huán)境信息，以調(diào)整機(jī)器人的位置和姿態(tài)的系統(tǒng)稱為機(jī) 器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)。其研究的領(lǐng)域包括控制理論、運(yùn)動(dòng)學(xué)、圖像處理、機(jī)器視覺(jué)等多個(gè) 方面。機(jī)器人視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為不同的類型。 ( 1 ) 按照攝像機(jī)的數(shù)目進(jìn)行分類，可以分為單目視覺(jué)伺服系統(tǒng)、雙目視覺(jué)伺服系統(tǒng) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁(yè) 以及多目視覺(jué)伺服系統(tǒng)。單目視覺(jué)伺服不能直接獲到目標(biāo)的三維信息，一般需要通過(guò)移 動(dòng)來(lái)獲得深度信息，因此單目視覺(jué)多用于工作任務(wù)比較簡(jiǎn)單并且深度信息要求不高的工 作環(huán)境中；雙目視覺(jué)能夠得到目標(biāo)深度信息，現(xiàn)在大多數(shù)的視覺(jué)伺服系統(tǒng)主要采用雙目 視覺(jué)；多目視覺(jué)能夠觀察到目標(biāo)不同的部分，能得到豐富的目標(biāo)信息，但多目視覺(jué)控制 器的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，并且難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性【1 1 】。 ( 2 ) 按照攝像機(jī)放置的位置不同，可以分為固定攝像機(jī)系統(tǒng)和手眼系統(tǒng)。固定攝像 機(jī)系統(tǒng)可以觀察到很大的工作空間場(chǎng)景，可以同時(shí)觀察到目標(biāo)和機(jī)器人的末端，所以能 得到目標(biāo)與機(jī)器人末端的相對(duì)速度，其缺點(diǎn)是難以獲得準(zhǔn)確的目標(biāo)信息，并且目標(biāo)圖像 可能會(huì)在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被遮擋住。手眼系統(tǒng)能得到目標(biāo)的精確位置，但是不能觀察 到機(jī)器人的末端，需要通過(guò)建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來(lái)求解機(jī)器人末端與目標(biāo)的位置關(guān)系， 這樣就受運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差以及標(biāo)定誤差的影響比較大。為了克服這兩種方法的不足，有人提 出了將這兩種方法協(xié)調(diào)作用的方案【1 2 】。 ( 3 ) 從控制結(jié)構(gòu)的角度可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制事先應(yīng)對(duì)機(jī) 器人和攝像機(jī)進(jìn)行精確標(biāo)定，傳感信號(hào)只包括運(yùn)動(dòng)前的目標(biāo)位姿信息。閉環(huán)控制的視覺(jué) 信息用作反饋，可以將攝像機(jī)與機(jī)器人的標(biāo)定誤差減小，但這些需要快速視覺(jué)處理硬件。 ( 4 ) 從反饋信息類型的誤差信號(hào)定義的不同，機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)可分為基于位置 的視覺(jué)伺服系統(tǒng)、基于圖像的視覺(jué)伺服系統(tǒng)以及混合視覺(jué)伺服系統(tǒng)?；谖恢靡曈X(jué)伺服 系統(tǒng)的誤差信號(hào)定義在三維笛卡兒空間，而基于圖像的的誤差信號(hào)定義在二維圖像空間。 下面重點(diǎn)介紹這幾種伺服控制系統(tǒng)。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第4 頁(yè) 1 - 3 機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì) 1 3 1 機(jī)器視覺(jué)簡(jiǎn)介 機(jī)器視覺(jué)又常稱計(jì)算機(jī)視覺(jué)，它通過(guò)圖像或視頻數(shù)據(jù)來(lái)觀察周圍世界，通過(guò)從攝像 機(jī)拍攝的圖像或視頻中提取出能觀察到的事物。機(jī)器視覺(jué)的功能與人類通過(guò)眼睛觀察世 界的視覺(jué)感知十分相近。稱機(jī)器視覺(jué)是強(qiáng)調(diào)用機(jī)器構(gòu)成的系統(tǒng)來(lái)處理視覺(jué)問(wèn)題，而稱計(jì) 算機(jī)視覺(jué)是強(qiáng)調(diào)處理視覺(jué)的問(wèn)題是一個(gè)計(jì)算問(wèn)題，核心部件是計(jì)算功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)【l 】o 隨著信息時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的信息需要用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)解決。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行 多媒體的處理技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域滿足了人們的需求，隨著技術(shù)的發(fā)展人們對(duì)視覺(jué)處理 技術(shù)提出了更高的需求，例如利用指紋、人臉、虹膜等識(shí)別技術(shù)來(lái)處理個(gè)人事務(wù)。利用 視覺(jué)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視老年人的異常行動(dòng)、陌生人的入侵，利用自動(dòng)識(shí)別技術(shù)幫助盲人 等。再如計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)還可以用于解決軍事目的的自動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、視頻檢索、智能交 通管理系統(tǒng)等問(wèn)題。人類眼睛是自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境中不可缺少的感知器官，機(jī)器視覺(jué) 技術(shù)與之類似，它成為計(jì)算機(jī)學(xué)科中不可或缺的- i 3 學(xué)科。 與計(jì)算機(jī)視覺(jué)有關(guān)的學(xué)科包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、模式識(shí)別、圖像處理、數(shù) 學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)【2 】o 1 3 2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的的提升，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)不斷地拓展它的應(yīng)用領(lǐng)域，并且已成 為自動(dòng)化流水線和許多機(jī)器不可缺少的重要環(huán)節(jié)。它現(xiàn)在不僅應(yīng)用在需要人眼觀察才能 完成的工作中，還能用在許多人眼無(wú)法觀察或觀察不到的情況下。機(jī)器視覺(jué)得到應(yīng)用的 領(lǐng)域有：遙感圖像的分析、機(jī)器人的移動(dòng)導(dǎo)航、生產(chǎn)線上零件的識(shí)別與定位、安防系統(tǒng) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 頁(yè) 等等。下面舉幾個(gè)常見(jiàn)的、必須用到機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)任務(wù)。 ( 1 ) 識(shí)別目標(biāo)，用來(lái)分辨不同的物體，根據(jù)不同的識(shí)別結(jié)果采取不同的應(yīng)對(duì)措施， 或者用來(lái)識(shí)別具有個(gè)體特征的物體，常見(jiàn)的有字符串、條形碼等。 ( 2 ) 探測(cè)位置，比如識(shí)別流水線的物體位置，從而進(jìn)行安裝等操作，既可以平面探 測(cè)也可以在空間探測(cè)。 ( 3 ) 檢測(cè)完整性，比如說(shuō)在流水線的最后幾個(gè)工位，用來(lái)檢測(cè)裝配是否完整或者是 否符合標(biāo)準(zhǔn)等。 ( 4 ) 形狀和尺寸檢測(cè)，檢驗(yàn)使用過(guò)程中的零件是否否和使用標(biāo)準(zhǔn)，或者用來(lái)檢測(cè)剛 生產(chǎn)的零部件是否達(dá)到精度和形狀要求【3 1 。 1 3 3 機(jī)器視黨技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 制造業(yè)的發(fā)展，帶來(lái)了對(duì)機(jī)器視覺(jué)需求的提升，促使機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛， 而不僅僅是過(guò)去單純的采集、分析、傳遞數(shù)據(jù)、判斷動(dòng)作，這也預(yù)示著它與自動(dòng)化的結(jié) 合將更加緊密。在中國(guó)，未來(lái)機(jī)器視覺(jué)發(fā)展主要表現(xiàn)為：( 1 ) 隨著產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，半導(dǎo) 體和電子行業(yè)將成為機(jī)器視覺(jué)發(fā)展的主要空間。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示全球集成電路產(chǎn)業(yè)將迎 來(lái)復(fù)蘇，但是在全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的背景下，使該產(chǎn)業(yè)在中國(guó)的發(fā)展面臨著很大優(yōu)勢(shì)，如成 本優(yōu)勢(shì)、人才回流等優(yōu)勢(shì)、市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)等；( 2 ) 機(jī)器視覺(jué)將朝著實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、一體化解決 方案的方向發(fā)展。再者，機(jī)器視覺(jué)包含在自動(dòng)化之中，在協(xié)作生產(chǎn)制造過(guò)程中機(jī)器視覺(jué) 軟硬件產(chǎn)品正逐漸成為不同階段的核心系統(tǒng)，生產(chǎn)線上的信息收集工作逐漸由機(jī)器視覺(jué) 產(chǎn)品來(lái)完成，這就需要機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)?，F(xiàn)在自動(dòng)化企業(yè)要求生產(chǎn)廠商提 供一體化解決方案的集成系統(tǒng)而不僅僅是單個(gè)產(chǎn)品( 3 ) 板卡式產(chǎn)品將被基于嵌入式的產(chǎn) 品取代，從產(chǎn)品本身看，p c 技術(shù)為機(jī)器視覺(jué)提供更多的支持。在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第6 頁(yè) 曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼鼉曼曼皇曼鼉寰曼鼉曼i l m lm。i ii ii , i ! l1 鼉 術(shù)迅速發(fā)展的背景下，各領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)，因?yàn)槠涞凸牡奶攸c(diǎn)深受 人們青睞。另外，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用c 高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)對(duì)是一項(xiàng)帶有基礎(chǔ)性的工作，可 以縮短開(kāi)發(fā)周期，提高工作效率，并且產(chǎn)品可維護(hù)性好、便于不斷完善和升級(jí)換代、可 靠性高。 1 4 圖像處理技術(shù) 圖像處理與機(jī)器視覺(jué)是兩個(gè)不同的概念，“圖像處理”在于要使圖像經(jīng)處理后變得更 好，圖像處理系統(tǒng)的輸出仍然是一幅圖像，而“機(jī)器視覺(jué) 系統(tǒng)的輸出確是與圖像內(nèi)容 有關(guān)的信息。圖像處理系統(tǒng)的功能包括編碼、壓縮、增強(qiáng)、重構(gòu)與復(fù)原。 圖像增強(qiáng) 圖像在經(jīng)過(guò)圖像增強(qiáng)系統(tǒng)處理后使人們感覺(jué)圖像效果更好，其典型的操作運(yùn)算包括 亮度放縮、邊緣銳化、對(duì)比度增強(qiáng)等。 圖像編碼 圖像經(jīng)過(guò)編碼處理后其信息具有更經(jīng)濟(jì)有效的表達(dá)方式，比如冗余消除、量化方法 等就是圖像編碼技術(shù)。研究圖像信息的方式以達(dá)到其在存儲(chǔ)或傳輸過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)仍 具有魯棒性也是屬于圖像編碼的范疇。 圖像壓縮 壓縮有許多技術(shù)與編碼中的技術(shù)相同，但其目的在于減少存儲(chǔ)與傳輸圖像的比特?cái)?shù) 旦 重。 圖像復(fù)原 復(fù)原關(guān)注的是對(duì)圖像中錯(cuò)誤進(jìn)行修復(fù)。它與圖像增強(qiáng)不同，增強(qiáng)只是關(guān)注使圖像看 上去更好些。而要“修正”一幅圖像，需要有圖像退化的模型。在復(fù)原的應(yīng)用中常常假 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第7 頁(yè) 設(shè)有一個(gè)確定性的模糊操作，并附有添加性的隨機(jī)噪聲。 圖像重構(gòu) 重構(gòu)通常指從若干局部圖像重構(gòu)成一幅完整圖像的過(guò)程。例如，在計(jì)算機(jī)層析x 射 線攝像技術(shù)( c t ) 中從受試者中得到數(shù)量很大( 如3 6 0 幅) 的x 射線投影。從這組一 維信號(hào)中計(jì)算出二維圖像中每一點(diǎn)的x 射線吸收率，相同的方法還用在p e t ( 正電子放 射層析攝像技術(shù)) ，以及在某些“s h a p e - f r o m x ”( 從x 恢復(fù)形狀) 的算法中。 在弧焊過(guò)程中由于存在弧光、電弧熱、飛濺以及煙霧等多種強(qiáng)烈的干擾，對(duì)獲得的 焊縫圖像的影響很大，因此圖像處理技術(shù)對(duì)整個(gè)視覺(jué)伺服控制的精度有著直接的影響， 本文中用到的圖像處理技術(shù)包括圖像預(yù)處理、圖像分割、圖像邊緣提取。 圖像預(yù)處理 大量噪聲信號(hào)存在于圖像的采集過(guò)程中，為了降低干擾信號(hào)的影響需要對(duì)采集到的 原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，達(dá)到增強(qiáng)圖像特征信息的效果。預(yù)處理有頻域和空間域兩種方法。 圖像取傅立葉變換后形成的復(fù)數(shù)像素的集合體的方法是頻域方法，直接對(duì)圖像像素進(jìn)行 運(yùn)算的方法是空間域方法。因?yàn)榭臻g域方法的計(jì)算量相對(duì)較小所以具有更為廣泛的應(yīng)用。 圖像預(yù)處理技術(shù)主要包括圖像平滑、邊緣細(xì)化和圖像增強(qiáng)等技術(shù)。 圖像分割 選擇適當(dāng)?shù)拈撝?，把圖像分成各具特性的區(qū)域，并提取某些特征的方法為圖像分割。 常用的對(duì)圖像進(jìn)行分割的方法有二值化、三值化分割。分割的重要環(huán)節(jié)是選擇合適的分 區(qū)閾值【4 】。 1 5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( a n n s ) 簡(jiǎn)稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( n n s ) 或稱作連接模型 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第8 頁(yè) ( c o n n e c t i o n i s t m o d e l ) ，它的分布式并行信息處理的算法處理方法類似于動(dòng)物的神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)。它將單個(gè)處理單元以并行的方式組合在一起，類似于神經(jīng)節(jié)間的連接，根據(jù)一定的 訓(xùn)練樣本反復(fù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)修改連接點(diǎn)間的權(quán)重來(lái)構(gòu)建能完成一定功能的網(wǎng)絡(luò)。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中處理單元的類型分為三類：輸入單元、輸出單元和隱單元。接受外 來(lái)信號(hào)與數(shù)據(jù)的是輸入單元；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理結(jié)果輸出的是輸出單元；處在輸入和輸出單 元之間的是隱單元。單元間的連接強(qiáng)度用神經(jīng)元間的連接權(quán)值來(lái)表示，網(wǎng)絡(luò)處理單元的 連接關(guān)系體現(xiàn)了信息的表示和處理。通過(guò)動(dòng)力學(xué)行為和網(wǎng)絡(luò)的變換得到一種并行分布式 的信息處理功能是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可調(diào)節(jié)性，也就是可訓(xùn)練性，通過(guò)一個(gè)特定的輸入便可得到要求的輸 出。如圖1 1 所示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)和輸出的比較而調(diào)整，到達(dá)匹配的效果。在有監(jiān) 督模式中許多輸目標(biāo)對(duì)應(yīng)的方法己成為訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的典型。 圖1 1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練圖 現(xiàn)在在很多領(lǐng)域中為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的功能，都使用到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這些領(lǐng)域包括： 控制系統(tǒng)、翻譯、語(yǔ)音、分類、鑒定和模式識(shí)別?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)和人難以解決的常規(guī)問(wèn)題 都能夠用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決。 1 6 課題研究?jī)?nèi)容 現(xiàn)代化生產(chǎn)制造對(duì)焊接工藝提出了更高的自動(dòng)化和智能化的需求，但是現(xiàn)在應(yīng)用于 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第9 頁(yè) 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的大多數(shù)是示教再現(xiàn)型焊接機(jī)器人，對(duì)作業(yè)條件要求嚴(yán)格，缺少應(yīng)變能力。本 文將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到開(kāi)放式控制體系的焊機(jī)機(jī)器人中，脫離了示 教再現(xiàn)的工作方式，對(duì)從真正意義上實(shí)現(xiàn)焊接的自動(dòng)化和智能化具有重要意義。本文的 主要研究?jī)?nèi)容如下： ( 1 ) 本文在現(xiàn)有焊接機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接工 藝的自動(dòng)化和智能化。 ( 2 ) 針對(duì)c c d 攝像頭獲得的焊縫圖像，本文提出了一套新的提取焊縫中心線的方法， 簡(jiǎn)化了繁瑣圖像處理步驟。 ( 3 ) 設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)標(biāo)定視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)，這樣無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定， 消除了標(biāo)定誤差，同時(shí)也利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代了復(fù)雜的雅克比矩陣的計(jì)算，從而簡(jiǎn)化了系 統(tǒng)，通過(guò)m a t l a b 軟件仿真，達(dá)到了預(yù)期的效果。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第10 頁(yè) 第二章工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析 工業(yè)機(jī)器人一般由機(jī)械本體( 手臂、手腕) 、控制器、測(cè)量系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及傳感器 等組成。圖2 1 是工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人的手臂決定了機(jī)器人作業(yè)空間， 它具有3 個(gè)自由度也就是說(shuō)有3 個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸；工業(yè)機(jī)器人的手腕有3 個(gè)自由度，是機(jī) 器人工具( 如夾爪、噴嘴、焊槍、機(jī)加工刀具) 與主構(gòu)架的連接機(jī)構(gòu)；控制器用于控制 機(jī)器人各部件的運(yùn)動(dòng)( 位置、速度和加速度) ，使機(jī)器人末端或機(jī)器人工具的中心點(diǎn)以給 定的速度沿著給定軌跡到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；測(cè)量系統(tǒng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件的位移、速度和加速 度的測(cè)量；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)部件提供力、力矩、速度、加速度；傳感器能夠獲 得搬運(yùn)對(duì)象和機(jī)器人本身的狀態(tài)信息，如工件及其位置、障礙物的識(shí)別，抓舉工件的重 量是否過(guò)載等。 圖2 - 1 工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第11 頁(yè) 2 1 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間 2 1 1 機(jī)器人位姿描述 ( 1 ) 剛體位姿描述 我們可以把工業(yè)機(jī)器人的每個(gè)連桿都看成是一個(gè)剛體，為了在空間中完全確定一個(gè) 剛體，需要確定剛體上某一點(diǎn)的位置和該剛體在空間的姿態(tài)。當(dāng)建立了一個(gè)固定坐標(biāo)系 后，可以用某個(gè)3 1 的矢量量來(lái)描述這一點(diǎn)在空間中的位置，設(shè)次坐標(biāo)系為 a ) ，空間 任意一點(diǎn)p 可以用列矢量4 p 來(lái)表示：a p = b ，b ，芝】。 只要知道了剛體的方位和剛體上某一點(diǎn)的位置，才能夠描述剛體的運(yùn)動(dòng)?？捎梢粋€(gè) 坐標(biāo)系和剛體固接來(lái)描述剛體的方位，比如和剛體固接在一起的這一直角坐標(biāo)系為 b ， 用坐標(biāo)系 b ) 的、乙的軸相對(duì)于參考坐標(biāo)系 a ) 的方向余弦來(lái)描述剛體的方位， 此方向余弦組成了一個(gè)的3 3 矩陣： 岔尺= ea x b ，a y b , a z b = r 乏 ( 巧 巧2 包 吩2 富r 稱為旋轉(zhuǎn)矩陣，它表示在坐標(biāo)系 a 中剛體b 的方位。式( 2 1 ) 中，下標(biāo)b 和上 標(biāo)a 表示的意思是被描述的坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系。善r 是正交的，因?yàn)榈鵵 中4 ，一蜘， 兩兩相互垂直，并且都是單位矢量。 、，l _ 2l 、i，ii， 3 3 3 巧眨吩 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第12 頁(yè) 圖2 2 旋轉(zhuǎn)矩陣的表示 如圖2 2 所示，繞x 、y 、z 三軸旋轉(zhuǎn)。角的旋轉(zhuǎn)矩陣分別為： r ( x ，秒) = r ( y ，e ) - r ( z ，e ) - l00 0c o s 秒一s i n p 0s i n pc o s 0 c o s o0s i n o ol0 一s i n l 9 l0c o s 8 c o s o s i n o o l 枷0 c 0 0 卵o j li y 由上可知，剛體b 的位姿可以用剛體b 在坐標(biāo)系 a ) 中的位置矢量a p 和旋轉(zhuǎn)矩陣 ；r 來(lái)描述，此描述可以表示為坐標(biāo)系 b ) ： b ) = 量r p ) 2 1 2 坐標(biāo)變換 相對(duì)于不同的坐標(biāo)系，空間中的一點(diǎn)p 的描述是不同的，但是在不同的坐標(biāo)系中點(diǎn) p 的描述可以相互轉(zhuǎn)換，下面就將來(lái)介紹這種變換關(guān)系【1 7 1 8 】【l9 1 。 1 平移變換 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第13 頁(yè) 如果坐標(biāo)系 a ) 和 b ) 具有相同的方位，但坐標(biāo)原點(diǎn)不重合，如圖2 3 所示。坐標(biāo)系 b ) 相對(duì)于坐標(biāo)系 a ) 的位置用位置矢量爿既來(lái)描述，則在坐標(biāo)系 a ) 中物體月p 的位置矢量 可由矢量相加得出： 4 p = 占p + _ p b ( 2 2 ) 2 旋轉(zhuǎn)變換 圖2 3 坐標(biāo)平移變換 如果坐標(biāo)系 a ) 和 b ) 具有相同的坐標(biāo)原點(diǎn)，但是方位不同，如圖2 _ 4 所示。坐標(biāo) 系 b ) 相對(duì)于坐標(biāo)系 a ) 的位置用旋轉(zhuǎn)矢量爹r 來(lái)描述，則在坐標(biāo)系 a ) 中物體一p 的位置 矢量可下式2 3 得出： 彳尸2 ；r 曰p ( 2 3 ) 圖2 - 4 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第14 頁(yè) 3 復(fù)合變換 在大多數(shù)情況下，坐標(biāo)系 a ) 和 b ) 的坐標(biāo)原點(diǎn)不會(huì)重合，并且方位也不相同，如圖 2 5 所示。這時(shí)候任意點(diǎn)p 在 a ) 和 b ) 的坐標(biāo)中的位置一p 和占p 間的關(guān)系，可以用坐 標(biāo)系 b ) 相對(duì)于坐標(biāo)系 a ) 的位置矢量和旋轉(zhuǎn)矢量來(lái)描述，如式2 - 4 ： a p = ：rbp+apb(2-4) 咒 2 1 3 齊次坐標(biāo)變換 圖2 5 復(fù)合變換 式( 2 - 4 ) 是非齊次的，為了將復(fù)合變換表示為齊次坐標(biāo)的形式，式( 2 - 4 ) 可以用 一州卅 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中兩邊的兩個(gè)列向量表示三維空間的點(diǎn)的齊次坐標(biāo)，描述的是點(diǎn)在坐標(biāo) 系 a ) 和 b ：的位置，記為月p 和b 尸。這樣，式( 2 5 ) 可以寫(xiě)為 月p = b p ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) 中鑼綜合了旋轉(zhuǎn)矩陣和位移矢量，稱為齊次坐標(biāo)變換矩陣。 足 分o ，fi i i rl，lj p 一 。l 示 表、， 5 - 2l 式f 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第15 頁(yè) i i 1 2 2 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) 2 2 1 機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型 一般對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，可以看作是有通過(guò)關(guān)節(jié)連接起來(lái)的一組連桿，即具有空 間彎曲軸線的廣義連桿【8 1 。為了能用齊次變換矩陣來(lái)描述任意相鄰兩連桿的幾何關(guān)系， 我們可以取任意相連的兩個(gè)連桿i l 與i ，以及連桿上的關(guān)節(jié)i 1 、i ，如圖2 - 6 所示： 圖2 - 6 廣義連桿變換的特征參數(shù) 首先將每一個(gè)連桿看成是一個(gè)剛體，在其上建立一個(gè)參考坐標(biāo)系，如圖2 - 6 所示，連 桿i 的參考坐標(biāo)系 i ) 的定義如下：i 軸與關(guān)節(jié)i 1 和關(guān)節(jié)i 的兩軸線的公共法線的交點(diǎn)是 坐標(biāo)原點(diǎn)；關(guān)節(jié)i 的軸線就是坐標(biāo)系的z 。軸；關(guān)節(jié)i 和關(guān)節(jié)i + 1 的兩軸線的公共法線是坐 標(biāo)系的軸，方向由關(guān)節(jié)i 指向關(guān)節(jié)i + 1 。 通常用矩陣a 來(lái)描述相鄰兩連桿間相對(duì)關(guān)系的齊次變換，所以a 矩陣描述的是連 桿坐標(biāo)系間相對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換。如果第一個(gè)連桿相對(duì)于基坐標(biāo)系的位置和姿態(tài) 用0 4 表示，第二個(gè)連桿相對(duì)于第一個(gè)連桿的位置和姿態(tài)用1 4 表示，以此類推，第i 個(gè) 連桿相對(duì)于第i 1 個(gè)連桿的位置和姿態(tài)用1 4 ，因此，第i 個(gè)連桿在基坐標(biāo)系中的位置 和姿態(tài)變換矩陣4 可由下式求得： 4 = 0 41 4 1 4 ( 2 7 ) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第16 頁(yè) 曼曼鼉蔓鼉皇曼曼皇苧曼曼曼皇i _ i n i 一一 i 六軸工業(yè)機(jī)器人是具有6 自由度的空間連桿機(jī)構(gòu)，大多數(shù)情況下用 d e n a v i t - h a r t e n b e r g 法( d h 法) 來(lái)描述末端執(zhí)行器的空間位置及姿態(tài)。各個(gè)連桿相對(duì)于固 定參考坐標(biāo)系的空間幾何關(guān)系用齊次變換來(lái)描述，相鄰兩連桿的空間關(guān)系用一個(gè)4 4 的齊次變換矩陣來(lái)描述，因此就能推導(dǎo)出末端執(zhí)行器坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系的等價(jià)齊次 坐標(biāo)變換矩陣，建立操作臂的運(yùn)動(dòng)方程。 定義連桿參數(shù)如下： ( 1 ) 沿軸方向乙一。軸與z 。軸之間的距離用表示； ( 2 ) 繞軸線乙一。軸到z 。軸所旋轉(zhuǎn)的角度用q 。表示； ( 3 ) z n 軸方向x n 一。軸與x n 軸的距離用礬表示； ( 4 ) 繞z 。軸由x n 一。軸到軸所旋轉(zhuǎn)的角度用e 。表示。 則相鄰兩坐標(biāo)系之間的關(guān)系”1 瓦可以表示為式( 2 8 ) ： 糾互= 4 = 刪二最) 西搿域o ，o 以) 西銷心，o , o ) x r o t ( x , a , , ) s 鼠q i n 曉0 0 s 如紀(jì)ic o s f 2 f c 0 s 0 s 訪 o o 2 2 2 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 s i n 8 , , s i n a 。c o s 紀(jì)s m a a ) s o 吸s 曉 如最 0 ( 2 - s ) 對(duì)一個(gè)給定的機(jī)械手在已知關(guān)- o 。- 一9 - 0 ( ，) = ( e l ( ，) + + e 。( ，) ) t 和桿件幾何參數(shù)的條 件下( n 是自由度數(shù)) ，求得手末端執(zhí)行器相對(duì)于參考系的位姿的問(wèn)題稱為機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué) 正問(wèn)題亦稱直接問(wèn)題。根據(jù)連桿的變化通式和連桿參數(shù)表，可以得到各連桿變化矩陣如 下： 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第17 頁(yè) ：t = = c o , 0s o , 0 s o , 0 - c o , 0 olo0 oo0l c 島0s e ,a 3 c e 3 s o , 0 一c 島口3 s 幺 o l oo o00l ：t = c o , 0s o , 0 s a , 0 - - c o , 0 0 l oo 0ool ! t = c o , 一s 0 2 0 a ：c 0 2 s 馥c 幺0 口：s o , 00l0 000l = ：t = c e 。 s 0 4 0 0 c 或 s o , o 0 0 s o , 0 0 c 見(jiàn)0 10 以 ool s 8 6 c o , 0 0 0 0 0 0 lo 0l 式中c0 。代表c o s 0 。，s0 。代表s i n 0 。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解得定義，將上述坐標(biāo)變化矩陣 代入公式( 2 8 ) ，可以得到機(jī)器人末端相對(duì)參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)【2 1 】即： 式中： ：丁= 0 。丁! t ；t ；t ：t = 吒l2吒3p 肖 r 2 1r 2 2吃3p y 吒i囈2r 3 3p z oool i r t 。= 墨( e c 6 墨+ c 4 c ) + c l ( 一e 曼，墨+ g ( c 4 e c 6 一只最) ：= c 6 ( g 墨一c t c 2 。墨) 一s 。( c 5 s l 甌+ c l ( c = c 。g 一) 3 = s , s , s 5 + c l ( c 5 s 2 3 + c 2 3 c 4 g ) p x = c i ( 口2 c 2 + n 3 c 2 3 + d 4 ) 旭= 一c , s 。是，墨一c t ( c 5 c 6 c 4 + c 4 ) + c s ( c 4 g c 6 & ) r 2 ：= q ( 一c 4 c 6 + c 5 墨s 6 ) 一s ( 一如s 5 s o + c ：，( c 6 c + c 4 c 5 c 6 ) ( 2 8 ) 1llj 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第18 頁(yè) 曼曼苧曼曼曼舅曼曼皇曼曼曼曼! ! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼! 曼曼曼! i 一： ； 一 一| l ；u l 1 ； i 曼 吃3 = c ；s ，+ ( c c 4 s l c 。墨) s 0 = s l ( 口2 c 2 + 碼乞+ 以是3 ) 吩。= c 4 c 5 c 6 + c 2 3 c 6 g 一是，墨& ) 耽：= 一c 6 是，只一甌( c 4 g 是，4 - 乞s ，) r 3 3 = - - c , 3 g + c 4 黽墨 芝= 一以+ 口2 是+ 口3 是3 其中c 2 ，= c o s ( 0 ：+ o ，) ，其他同理。式中：t 描述了末端連桿的坐標(biāo)系，既是機(jī)械手相對(duì)基 坐標(biāo)的位姿。 2 2 2 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解是根據(jù)d h 方法建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過(guò)變換矩陣求得末端在基坐標(biāo)下 的唯一坐標(biāo)值( 包括位置和姿態(tài)) ，相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解過(guò)程是根據(jù)已知 的末端抓持器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位姿，求關(guān)節(jié)變量9 。，0 2 ，e ，o 。，0 ，0 。的過(guò)程， 它是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)，也是運(yùn)動(dòng)學(xué)最重要的部分。 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解是在給定已知的滿足某工作要求時(shí)末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)以及各桿的結(jié) 構(gòu)參數(shù)的情況下，求解對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量。在機(jī)器人控制中，只有使各關(guān)節(jié)移動(dòng)( 或轉(zhuǎn)動(dòng)) 逆解中的值，才能使末端執(zhí)行器達(dá)到工作所要求的位置和姿態(tài)，所以運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解是機(jī)器 人控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一【2 2 1 。 關(guān)節(jié)變量的耦合關(guān)系表達(dá)式組成了機(jī)器人的總變化矩陣，直接通過(guò)總變化矩陣得到 需要的各個(gè)關(guān)節(jié)變量值比較困難。一種可行的求解方法是通過(guò)在總變化矩陣左邊乘以坐 標(biāo)變化矩陣的逆矩陣消除復(fù)雜的耦合關(guān)系表達(dá)式，比較矩陣相應(yīng)元素相等逐個(gè)求解出關(guān) 節(jié)變量值，具體為在o t = 互乏巧正正t 6 兩邊左乘五的逆：掣。0 一疋r 3 五五瓦，五的逆 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第19 頁(yè) 等于互的轉(zhuǎn)置，即： 將貯。代入得： 1 學(xué) s o , l0 s o , 0 _ c 0 1 0 0 o l0 o o 0l 2 3 工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃 c o ,s o , 00 ool0 s o , 。c o , 0 0 o0ol l2 眨lk 吩ir r 0o 3p x r 2 3p y 辦 ol = 正五五五蠢 機(jī)器人求得完成自身任務(wù)解決方案的過(guò)程稱為軌跡規(guī)劃。這里所指的任務(wù)是指機(jī)器 人某個(gè)動(dòng)作( 比如手部或關(guān)節(jié)的某個(gè)規(guī)定的運(yùn)動(dòng)等) 或者機(jī)器人要完成的某一具體任務(wù)。 機(jī)械臂位姿關(guān)于時(shí)間的函數(shù)是軌跡。根據(jù)驅(qū)動(dòng)元件約束條件和機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程，求出 沿一條無(wú)沖突路徑機(jī)械臂的姿勢(shì)和位置的時(shí)間經(jīng)歷稱為軌跡規(guī)劃。軌跡規(guī)劃有點(diǎn)位作業(yè) ( p t p ，p o i n t t o - p o i n tm o t i o n ) 和連續(xù)路徑作業(yè)( c p ，c o n t i n u o u s p a t hm o t i o n ) 兩種形式。 在關(guān)節(jié)空間和笛卡兒空間中都可以進(jìn)行軌跡規(guī)劃。在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃容易 做到控制的實(shí)時(shí)性，因?yàn)槠湟?guī)劃軌跡時(shí)使用運(yùn)動(dòng)時(shí)的受控關(guān)節(jié)變量，但是這樣的不足之 處是末端抓持器和各桿的位置不好確定，而在笛卡兒坐標(biāo)空間可以做到這一點(diǎn)，但目前 還沒(méi)有一種傳感器可以將末端的抓持器在笛卡兒坐標(biāo)中的位置測(cè)量出來(lái)，因此所有的運(yùn) 算都是在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中進(jìn)行的，這樣就需要過(guò)求解雅克比逆矩陣在關(guān)節(jié)和直角坐標(biāo)之間 進(jìn)行實(shí)時(shí)變化，但這樣工作量非常大，用時(shí)長(zhǎng)。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 0 頁(yè) 皇曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼寰曼! ! ! ! 曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼寰_ i i 鼉曼曼曼! 曼蔓曼皇曼曼皇皇舅曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼鼉曼 2 3 1 關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃 要在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行軌跡規(guī)劃，首先要搭建路徑上的點(diǎn)和關(guān)節(jié)的角度值之間的關(guān)系， 這里要用到逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，然后分別用一個(gè)函數(shù)來(lái)描述關(guān)節(jié)的變化，使之從起始點(diǎn)開(kāi)始 依次通過(guò)所有路徑點(diǎn)直至到目標(biāo)點(diǎn)【2 4 1 。每個(gè)關(guān)節(jié)有相同的運(yùn)動(dòng)變化時(shí)間，但描述它們變 化的時(shí)間函數(shù)之間沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)。常用的光滑時(shí)間函數(shù)有三次多項(xiàng)式以及五次多項(xiàng)式時(shí) 間函數(shù)，本節(jié)采用了三次多項(xiàng)式時(shí)間函數(shù)對(duì)關(guān)節(jié)空間中的軌跡規(guī)劃進(jìn)行介紹。 三次多項(xiàng)式及其一階導(dǎo)函數(shù)的通式見(jiàn)式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 。 瞑，j = c o + q t + c ：t 2 + q 3 ( 2 9 ) 馥n = c l + 2 c 2 t + 3 c 3 t 2 ( 2 1 0 ) 為確定未知的系數(shù)c o ，c i ，c 2 ，c 3 ，同時(shí)對(duì)起始位置點(diǎn)和目標(biāo)位置給出約束條件 列出四個(gè)方程式，見(jiàn)式( 2 1 1 ) ( 2 。1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ： 最) = c o + c , t o + c ：如2 + c 3 t 0 3 = c o + c , t ?！縭 + c = t j 2 + c 3 0 3 哦f 0 ) = c l + 2 c 2 氣+ 3 c 3 t 。2 或。) = c l + 2 c 2 t + 3 c 3 t 2 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式中o ( ，。) e ( 礦) 表示起始位置的關(guān)節(jié)角，e ( 礦) 表示目標(biāo)位置的關(guān)節(jié)角，o 。( t o ) 表示起 始位置的關(guān)節(jié)角速度，6 ，、目標(biāo)位置的關(guān)節(jié)角速度。如果設(shè)= o ，解得系數(shù)見(jiàn)式( 2 1 5 ) u - ，f 、 v ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 所示： ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 1 頁(yè) c = 墮) 二型竺魚(yú)：塑2 t“f g = 墊粵一 假設(shè)在起始位置速度為零，既 。：o ，目標(biāo)位值的起始位置速度為零， v ( t o 、 得到特解如下式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 、( 4 2 1 ) 、( 2 - 2 2 ) 。 c o2 0 ( r o ) c l = 0 c ，：塑型 tf - 2 ( o , ，) 一只o ) c 3 。午 ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 6 ( 礦) 。o ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 如上所述，在已知始末位置的關(guān)節(jié)角度和角速度的情況下求解多項(xiàng)式的系數(shù)比較 簡(jiǎn)單，但是對(duì)于路徑中間的位置其角速度并非已知，需要通過(guò)機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)雅 克比矩陣的逆變換才能得到，這樣計(jì)算量就很大，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算提高速度，一般中間點(diǎn) 的瞬時(shí)速度用相鄰兩段軌跡角速度平均值來(lái)代替。 2 3 2 笛卡爾空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃 在笛卡爾空間有四個(gè)點(diǎn)如圖2 7 所示，由上節(jié)可知，關(guān)節(jié)空間進(jìn)行軌跡規(guī)劃僅能 保證機(jī)械手經(jīng)過(guò)四個(gè)點(diǎn)，并不能讓其按照一定的軌跡在四個(gè)點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)，也不能確定在 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的姿態(tài)，要想使機(jī)械手按照?qǐng)D2 8 所示的軌跡運(yùn)動(dòng)，只有在笛卡爾空間進(jìn)行 規(guī)劃才能完成1 2 5 1 。空間直線、圓弧軌跡規(guī)劃法是笛卡兒坐標(biāo)常用的規(guī)劃算法，下面是空 間直線規(guī)劃算法的設(shè)計(jì)。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 2 頁(yè) 曼! 曼曼曼曼曼皇蔓曼曼舅曼曼! ! 曼曼曼! 舅! 曼曼曼曼! 曼! 皇! 曼曼笪曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼j il l 曼曼曼曼曼皇笪曼曼量曼曼曼曼曼舅曼皇皇曼曼曼曼曼 2 3 2 1 空間直線插補(bǔ)算法 2 7 關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃圖 2 8 笛卡兒空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃圖 根據(jù)給定直線兩個(gè)端點(diǎn)的位姿求出直線上的中間點(diǎn)的位姿的方法就是空間直線插補(bǔ)。 在插補(bǔ)的過(guò)程中，機(jī)械手的姿態(tài)從初始位置的姿態(tài)開(kāi)始，按照一定的步長(zhǎng)均勻的變化到 末端位置的姿態(tài)，機(jī)械臂的姿態(tài)變化按照給定的步長(zhǎng)從初始姿態(tài)均勻向末端點(diǎn)姿態(tài)變 化。假設(shè)初始位置的坐標(biāo)為a ( 置，k ，z 1 ) ，終點(diǎn)位置的坐標(biāo)為b ( 置，k ，z 2 ) ，如圖2 - 9 。 圖2 - 9 空間直線插補(bǔ) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 3 頁(yè) 直線插補(bǔ)的的具體過(guò)程如下所示： ( 1 ) 確定插補(bǔ)周期t s 和沿直線運(yùn)動(dòng)的速度v 。 ( 2 ) 計(jì)算出插補(bǔ)點(diǎn)間的距離。 ( 3 ) 計(jì)算出插補(bǔ)過(guò)程用